不透水表面是利用遥感技术进行城市区域扩张及其社会环境效应研究的重要评价因子,广泛用于城市地表覆被动态监测、城市扩展分析、居住人口评估、非点源污染负荷估算、城市利用规划和城市环境评估等多个方面,同时也对分析城市可持续发展提供重要的依据。兰州市作为甘肃省的省会,是位于西北内陆腹地黄土高原丘陵沟壑区的典型城市,也是西北重要的工业基地、科研教育中心和商贸中心。最近20年来,随着改革开放事业的不断推进,其社会经济发展水平日益提高,城市扩展迅速,明显反映在不透水表面方面的巨大变化。依托3S技术研究该区域的城市不透水表面分类方法、探索城市不透水表面动态变化规律及其驱动力具有科研和社会经济双重价值。本论文通过利用时间序列的Landsat TM影像和基于对象的影像分析处理技术,探索近20年来兰州市不透水表面的计算机自动提取方法,在此基础上研究不透水表面面积、空间分布格局、动态变化趋势和规律,探讨城市扩展变化和内在原因。研究取得的主要成果如下：(1)在不透水表面遥感信息提取方面,现有的归一化差值不透水表面指数(NDISI)主要针对中国南方城市周边郊区以农田、林网植被及水体为主要用地类型的自然地理基础。而对于西北内陆腹地黄土高原丘陵沟壑区,城市周边多为山地丘陵,裸土覆被区域广布。由于城市不透水表面与裸土之间的光谱特征相似,可分性较差,信息提取存在较大困难,原有指数的适用性不足。因此,本论文在归一化差值不透水表面指数(NDISI)指数的基础上,创建了一种更适应黄土高原丘陵沟壑研究区域的改进型归一化差值不透水表面指数(MNDISI).精度评价结果表明,该指数适应性较强,对不透水表面信息增强的效果较为显著,有效克服了“异物同谱”问题,十分便于相应遥感信息的自动提取。(2)运用基于对象的影像分析方法能够高效准确地完成城市不透水表面信息及其它城市基本组分土地覆盖类型的提取与分类。影像对象丰富的光谱及其它空间特征为城市不透水表面信息的有效提取奠定了良好基础。结果表明,基于对象的影像分类方法成功抑制了“椒盐现象”的发生。(3)论文采用不一致性方法进行了影像分割参数的优选。该方法综合考虑了参考多边形和分割多边形的几何不一致性和代数不一致性,利用PSE、NSR和ED2三个参数度量对一系列分割结果进行评价,从中选择出最优分割参数组合。(4)深入分析研究区不透水表面和其它城市基本组分土地覆盖类型的各类特征后,使用改进型归一化差值不透水表面指数(MNDISI)、改进型归一化差异水体指数(MNDWI)、土壤调节植被指数(SAVI),以及不同土地覆盖类型在近红外和短波红外波段的平均反射率值等六组参数作为主要特征,在面向对象的最邻近分类器中进行目标地物信息的提取与分类。对各期影像不透水表面信息分类结果的精度评价表明,其生产者精度、用户精度、总体精度和Kappa系数分别达到90%、88%、89%和0.86以上,证明该方法的分类精度较高,能够很好地提取研究区不透水表面信息。(5)研究表明,兰州市不透水表面面积从1993年的98.46hm2,扩展到2000年的129.13hm2,再扩展到2011年的162.03hm2,增长速度较快；占所有城市基本组分土地覆盖类型的百分比也从17.16%,增长到22.50%,再增长到28.24%,增长幅度较大。与此同时,水体和植被等生态用地的面积分别有不同程度的减少。由于近十年内兰州市对城市生态建设的重视,其面积减少的速度有所降低。此外,研究区内分布广阔的裸土面积在近二十年的时间里变化幅度不大。(6)不透水表面增加的区域遍布整个研究区,且变化速度较快。其中,1993年到2000年不透水表面增加的区域主要集中在黄河西固区段沿岸地区、西固区与七里河区结合部的崔家大滩、安宁区201省道以北、安宁区河湾和黄家滩地区、七里河区北部后五泉村、城关区九州开发区、城关区雁滩乡宋家滩村、城关区东岗镇村以及研究区东部312国道沿线等区域。2000年至2011年不透水表面增加主要发生在西固区与七里河区结合部的北滩和大滩区域、安宁区下河湾和石家湾、安宁区营门滩附近的几所高校、安宁庭院等住宅小区、七里河区南部212国道和兰临高速沿线区域、七里河区禄家庄和后五泉村、城关区九州开发区、城关区雁滩东部区域以及研究区北部柳忠高速和连霍高速沿线等区域。(7)将不同时期研究区亮温图与相应不透水表面信息提取结果图进行对比可知,亮温较高区域的变化趋势和不透水表面扩展的趋势可以一一对应,两者呈现同步增长的关系；工业区、人口密集的商业区和生活区等城市热源地与遥感影像中的高温区相对应；植被和水体等生态用地覆盖率与热岛强度成反比,其对城市热岛效应起到了一定的抑制作用。(8)兰州市城市扩展变化的驱动力主要有自然和人文两方面因素。自然因素主要包括地域位置和地貌特征等基础性条件,其对兰州市城市空间结构布局方式和功能区选择已形成一定的制约作用。人文因素主要包括经济发展的主导作用、人口增加的直接推动作用、规划政策的引导作用和道路交通的带动作用等。自然和人文因素共同影响研究区城市扩展变化的同时,人文因素又居主要地位。